微孔填充工藝在HTCC金屬化方面的研究

王 慧，王亞君

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

高溫共燒陶瓷（High Temperatureco-fired Ceramic，HTCC）是一種采用材料為鎢、鉬、錳等高熔點(diǎn)金屬發(fā)熱電阻漿料，按照發(fā)熱電路設(shè)計(jì)的要求印刷于92%～96%的氧化鋁流延陶瓷生坯上，并通過(guò)4%～8%的燒結(jié)助劑多層疊合，在1500～1600℃的高溫下共燒成一體的多層陶瓷制造技術(shù)。具有耐腐蝕、耐高溫、壽命長(zhǎng)、高效節(jié)能、溫度均勻、導(dǎo)熱性能良好、熱補(bǔ)償速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且不含鉛、鎘、汞、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚等有害物質(zhì)，符合歐盟RoHS等環(huán)保要求。因燒結(jié)溫度高，HTCC不能采用金、銀、銅等低熔點(diǎn)金屬材料，必須采用鎢、鉬、錳等難熔金屬材料，這些材料電導(dǎo)率低，會(huì)造成信號(hào)延遲等缺陷，所以不適合做高速或高頻微組裝電路的基板。但是，由于HTCC基板具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)穩(wěn)定性好和布線(xiàn)密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此在大功率微組裝電路中具有廣泛的應(yīng)用前景。印刷填孔過(guò)程是陶瓷金屬化及片式元件行業(yè)生產(chǎn)工藝流程中的重要環(huán)節(jié)之一，近幾年隨著HTCC技術(shù)在電子、通訊、汽車(chē)、計(jì)算機(jī)和醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，精密印刷填孔設(shè)備在國(guó)內(nèi)也得到了大力發(fā)展。圖1為典型的HTCC基板示意圖，由此可知采用HTCC工藝制作的基板具有可實(shí)現(xiàn)集成電路芯片封裝、內(nèi)埋置無(wú)源元件及高密度電路組裝的功能。

圖1 HTCC基板示意圖

1 HTCC技術(shù)工藝流程簡(jiǎn)介

HTCC與LTCC技術(shù)工藝流程非常相似，典型的HTCC生產(chǎn)工藝流程包括漿料制備→流延成膜→切片→打孔→微孔填充→印制電極→印制無(wú)源元件→單層檢測(cè)→疊片→熱壓→切片 (批量生產(chǎn))→排膠燒結(jié)→產(chǎn)品檢測(cè)等過(guò)程，圖2為HTCC基板制造的工藝示意圖。

圖2 HTCC生產(chǎn)工藝示意圖

陶瓷的金屬化包括單層的表面金屬化和層與層間的金屬化。單層陶瓷的金屬化，是在陶瓷表面牢固地粘附一層金屬薄膜，使之實(shí)現(xiàn)陶瓷和金屬間的焊接，在陶瓷表面形成電路，不僅可以焊接，而且能夠作為導(dǎo)線(xiàn)傳輸電流，這種工藝采用印刷的方法。HTCC多層基板互連通孔是通過(guò)微孔填充的方法形成的，主要是對(duì)打孔后的生瓷片通孔完成金屬漿料填充，達(dá)到電氣互聯(lián)導(dǎo)通目的，最近幾年新開(kāi)發(fā)的一種工藝是在在微孔中注漿并抽空心，形成空心孔。實(shí)心孔與空心孔本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)層與層之間的連接的方式，目前已經(jīng)處于實(shí)際應(yīng)用階段。本文著重介紹在HTCC金屬化方面應(yīng)用廣泛的微孔填充工藝，并介紹填孔工藝的國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)備。

2 填孔工藝在HTCC金屬化的應(yīng)用及國(guó)內(nèi)填孔設(shè)備

2.1 填孔工藝

通孔填充是HTCC技術(shù)的關(guān)鍵工藝之一，陶瓷基片層與層之間的連接填孔工藝，即微孔填充工藝，之前多采用擠壓方式，由于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的擠壓作用，漿料中的有機(jī)溶劑會(huì)大量揮發(fā)，導(dǎo)致漿料粘度不斷增大，觸變性變差，填孔變得越來(lái)越難，而且精度差、效率低，這種工藝目前基本被淘汰。LTCC微孔填充多采用印刷填孔的方式，通過(guò)刮刀的運(yùn)動(dòng)將漿料壓入微孔中，如圖3所示。填孔工作臺(tái)是采用多孔陶瓷，工作時(shí)工作臺(tái)下面用真空機(jī)抽成負(fù)壓，且在工作臺(tái)和填孔基片之間放一張濾紙，防止金屬漿料從通孔漏到工作臺(tái)上。填孔絲網(wǎng)網(wǎng)版一般采用不銹鋼制作，網(wǎng)版上的孔徑應(yīng)略小于生瓷帶上通孔的孔徑，這樣可提高盲孔的形成率。

圖3 LTCC填孔過(guò)程示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中填孔壓力根據(jù)漿料的種類(lèi)和基板厚度不同，所需壓力也不相同。在LTCC領(lǐng)域，目前常規(guī)生瓷片的厚度為0.127mm，采用的漿料為銀漿，黏度為2800Pa·s，黏度值相對(duì)較低，需要的填孔壓力在100～200N之間，采用印刷的方式可以完成。隨著基板厚度增加，就需要更大的填孔壓力，基板厚度與填孔直徑之比小于1.2時(shí)工藝性較好，如果大于1.2，工藝性就變差，且填孔壓力隨之增加，因此填孔設(shè)備需兼容不同厚度基板，并適應(yīng)不同黏度的填充漿料。

2.2 HTCC印刷填孔工藝及相關(guān)設(shè)備

在HTCC技術(shù)領(lǐng)域，由于所采用的漿料大部分為熔點(diǎn)很高的鎢漿，漿料黏度變?yōu)?0000Pa·s以上，黏度很高，采用印刷的方式需要很高的壓力。同樣以0.127mm厚度為例，印刷壓力則達(dá)到1000N，這就需要特殊的填孔機(jī)。

填孔的原理如圖4所示，在刮刀向右運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)漿料向右運(yùn)動(dòng)，同時(shí)刮刀的壓力施加于漏板，將漿料以很大壓力壓入漏板的孔中，多孔陶瓷臺(tái)通過(guò)透氣紙從生瓷片底部抽真空，有助于漿料填充在整個(gè)微孔的圓柱空腔里。下面的板從上到下依次為漏板、生瓷片、透氣紙及多孔陶瓷臺(tái)。

圖4 HTCC填孔過(guò)程示意圖

影響HTCC印刷填孔質(zhì)量的主要因素是，除填孔設(shè)備滿(mǎn)足產(chǎn)品所需的技術(shù)指標(biāo)要求外，影響填孔質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有填孔壓力與速度、刮刀角度與硬度以及真空負(fù)壓與拖網(wǎng)延時(shí)等。

2.2.1 填孔壓力與速度

微孔填充過(guò)程中，如果使用填孔漿料黏度較大，一般對(duì)應(yīng)的填孔壓力可達(dá)600N以上，填孔速度一般在20～50mm/s之間，并且保證基片通孔被擠壓填滿(mǎn)后邊沿漿料外邊沒(méi)有滲漏。而如果壓力太小或速度太快可能會(huì)導(dǎo)致所填基片通孔內(nèi)部不飽滿(mǎn)，燒結(jié)后影響導(dǎo)通效果。

2.2.2 刮刀角度與硬度

在印刷填孔過(guò)程中刮刀角度如圖4所示，且填孔刮刀的硬度一般為肖氏硬度70～90。

2.2.3 真空負(fù)壓與脫網(wǎng)延時(shí)

在基片填孔過(guò)程中多采用多孔陶瓷作為工作臺(tái)面，這樣盡量保證真空負(fù)壓均勻，而真空負(fù)壓的大小主要取決于所用漿料的黏度以及臺(tái)面紙的透氣性，如果真空負(fù)壓太大會(huì)使填到基片通孔中的漿料被吸掉很大一部分，導(dǎo)致填孔正面塌陷；如果真空負(fù)壓太小，會(huì)使填孔底面漿料不夠飽滿(mǎn)；拖網(wǎng)延時(shí)也是影響填孔效果的一個(gè)重要參數(shù)，拖網(wǎng)太快可能會(huì)導(dǎo)致所填漿料被帶出一部分，一般大于1s。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的填孔設(shè)備已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，完全滿(mǎn)足目前國(guó)內(nèi)填孔工藝的要求。圖5為國(guó)內(nèi)HTCC行業(yè)的某主流品牌自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)填孔設(shè)備。采用印刷填孔的方式主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)準(zhǔn)精度高；采用兩個(gè)高分辨率的CCD相機(jī)識(shí)別位置，配以高精度三維運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)校正位置，對(duì)準(zhǔn)精度可達(dá)10μm。以目前的填孔工藝，最小孔徑φ75μm，可滿(mǎn)足定位要求。（2）填孔壓力大小精密可調(diào)；采用比例閥和精密減壓閥相結(jié)合的方式調(diào)節(jié)填孔壓力，壓力精度可到1N。（3）填孔精度高；采用平面度高及透氣性好的陶瓷工作臺(tái)吸附生瓷片，工作臺(tái)與漏板的平行度優(yōu)于30μm，保證填孔的一致性。④效率高；采用自動(dòng)上、下料的模式，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了效率。

圖5 TY-360型自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)填孔機(jī)

目前主流工藝中HTCC組件微孔填充的孔徑大小都在φ100μm，而未來(lái)幾年主流工藝微孔填充大小在φ30～50μm以?xún)?nèi)，孔徑變化趨勢(shì)越來(lái)越小，要求設(shè)備的印刷壓力越來(lái)越大（1200N）。圖6為HTCC基片填孔的效果圖。填孔孔徑φ75μm，壓力1000N，采用0.127mm厚度的生瓷片。

圖6 HTCC基片孔徑φ75μm放大30倍圖

3 結(jié) 論

文中介紹了基于印刷方式下的微孔填充工藝的HTCC金屬化技術(shù)，詳細(xì)介紹了印刷填孔工藝在HTCC金屬化的應(yīng)用及國(guó)內(nèi)印刷設(shè)備。并將此印刷填孔工藝廣泛應(yīng)用于HTCC行業(yè)的陶瓷金屬化，取得了很好的實(shí)際應(yīng)用效果。